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2025 , Vol. 42 >Issue 2: 172 - 178

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20230992

水利信息化

香溪河流域水环境磷风险预报预警平台

  • 张熔轩 , 1 ,
  • 张万顺 , 1, 2, 3 ,
  • 刘馨 1 ,
  • 彭虹 4 ,
  • 陈勇 5 ,
  • 陈刚 1 ,
  • 李翱 1
展开
  • 1 武汉大学 资源与环境科学学院,武汉 430079
  • 2 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉 430072
  • 3 武汉大学 中国发展战略与规划研究院,武汉 430079
  • 4 武汉大学 水利水电学院,武汉 430072
  • 5 中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063
张万顺(1965-),男,甘肃庆阳人,教授,博士,研究方向为环境规划与管理。E-mail:

张熔轩(1999-),男,湖北武汉人,硕士研究生,研究方向为环境科学。E-mail:

Copy editor: 王 慰

收稿日期: 2023-09-12

  修回日期: 2024-04-11

  网络出版日期: 2025-02-14

基金资助

国家自然科学基金项目(41877531)

水环境综合治理智慧管控平台的建设研究项目(2022010444)

收起

A Forecasting and Early Warning Platform for Phosphorus Risk of Water Environment in Xiangxi River Basin

  • ZHANG Rong-xuan , 1 ,
  • ZHANG Wan-shun , 1, 2, 3 ,
  • LIU Xin 1 ,
  • PENG Hong 4 ,
  • CHEN Yong 5 ,
  • CHEN Gang 1 ,
  • LI Ao 1
Expand
  • 1 School of Resource and Environmental Sciences, Wuhan University, Wuhan 430079, China
  • 2 State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China
  • 3 China Institute of Development Strategy and Planning, Wuhan University, Wuhan 430079, China
  • 4 School of Water Resources and Hydropower Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China
  • 5 China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063,China

Received date: 2023-09-12

  Revised date: 2024-04-11

  Online published: 2025-02-14

Fold

摘要

水环境质量预报预警是提升水污染防治现代化水平的重要支撑。提出了香溪河流域水环境磷风险平台技术体系,建立了香溪河流域水环境磷风险预报预警平台。该平台具备自动化收集多源异构的气象、水文、水质监测和污染源排放等底座数据并融合处理的功能,可为流域模型的边界条件和过程条件提供支撑,进一步对降雨过程、水文变化、总磷浓度和水环境风险提供预测和评价结果,并对2016年和2020年进行磷风险预报预警应用,为香溪河提升流域智慧化管理水平和推进磷风险管控提供技术支撑。

关键词： 水环境; 磷风险管控; 预报预警平台; 业务化应用; 香溪河流域

本文引用格式

张熔轩 , 张万顺 , 刘馨 , 彭虹 , 陈勇 , 陈刚 , 李翱 . 香溪河流域水环境磷风险预报预警平台[J]. 长江科学院院报, 2025 , 42(2) : 172 -178 . DOI: 10.11988/ckyyb.20230992

Abstract

Forecasting and early warning of water quality are essential for advancing the modernization of water pollution prevention. In this study, we developed a technical framework for a phosphorus risk assessment platform and implemented a water environment platform for phosphorus risk forecasting and early warning. The platform automatically collects and integrates multi-source heterogeneous foundational data, including meteorological, hydrological, water quality monitoring, and pollution source discharge data, and generates boundary and process conditions for an air-land-water coupled model. The platform forecasts rainfall, hydrology, and total phosphorus concentrations, assesses phosphorus-related risks, and issues early warnings. The platform was applied to the Xiangxi River basin in 2016 and 2020, and has provided technical support for enhancing intelligent basin management and mitigating phosphorus risks in the Xiangxi River basin.

Key words： water environment; phosphorus risk control; forecasting and early warning platform; business application; Xiangxi River basin

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

香溪河流域位于三峡库区水土保持生态功能区,是国家重要的水土流失防治生态功能区,是确保三峡库区生态安全的重要生态屏障(如图1所示)。总磷污染是香溪河流域曾面临的主要水污染问题,主要源自磷化工等污染源的高负荷排放,工业源贡献率达20%以上。在实现流域综合治理和生态文明建设的持续推动下,防范香溪河磷矿、磷化工、磷石膏库的“三磷”风险,仍为稳步推进长江流域三水统筹协同共治,实现三水量、质、效同步提升任务的重要路径[1]。
图1 香溪河流域水环境基本情况

Fig.1 Basic situation of water environment in Xiangxi River basin

开发磷风险精准预报预警核心技术,是有效解决流域“三磷”问题的关键抓手之一,这涉及平台开发技术和流域模型两个方面。在大尺度流域的计算过程中信息数据来源分散、结构各异,仿真模拟需要整合大量不同类型的模型,因此存在整合算力资源、提高数据融合和决策的效率等更高要求的挑战。流域水环境水生态智慧化管理云平台解决了当前流域管理领域的难点问题[2⇓-4],打破多源异构数据壁垒,为气象、水文、生态、环境、社会、经济等数据的感知注入“智慧”元素,克服大尺度流域“空-地-水”模型耦合、数据储存与传输等技术挑战,实现集成高度扩展和灵活可靠优势的计算、储存、网络资源动态分配和部署共享,能有效支撑流域水质预报、风险防控的服务发布,已在三峡库区实现其业务化应用[5⇓-7]。已建立的耦合气象模型、陆地面源模型和水动力水质模型的香溪河“空-地-水”一体化模型[8-9],利用2010—2014年及2019年监测数据进行模型验证,模型模拟精度可达90%以上,具有模拟预测流域土地利用和气候变化对流域径流和氮磷负荷时空分布规律的能力,可为香溪河流域磷风险管控平台的建立解决流域复杂模型构建的难题。
本文在流域水环境管理平台[2]和香溪河流域“空-地-水”一体化模型[9]研究成果的基础上,以解决三峡库区典型支流香溪河流域水环境磷风险预报预警业务化需求为导向,构建了香溪河流域水环境磷风险预报预警平台。平台具备了对多源异构数据的高效利用、水循环及其伴生过程精准模拟的能力,实现了常规指标水质预报和磷风险预报预警业务化应用。

1 香溪河流域水环境磷风险平台技术体系

1.1 平台架构

本文在流域智慧化管理云平台架构基础上[2],构建了香溪河流域水环境磷风险平台体系结构,如图2所示。平台涵盖了具有特定功能的数据中心、模型中心、控制中心及服务中心,通过各中心之间协同工作机制,整合和共享数据资源形成数据资源池,按照各中心提供的服务各司其职,保证平台“实时化、稳健化、服务化、智能化、业务化”运行。
图2 香溪河流域水环境磷风险平台架构

Fig.2 Architecture of water environment phosphorus risk platform for Xiangxi River basin

1.2 模型集成

1.2.1 香溪河流域“空-地-水”一体化模型

数值模型是水环境风险评估预测的主要计算工具,流域内水循环及其伴生过程涉及流域内气象、水文、水动力、水质和水生态等多过程多要素相互作用,并伴随物质-能量迁移和转化过程,需要耦合气象模型、陆地面源模型和水动力水质模型,实现对流域内水循环及其伴生过程的精准模拟。香溪河流域水环境磷风险平台集成了香溪河流域“空-地-水”一体化模型[9](如图3所示),其中气象模型为一维河网水动力水质模型和陆地面源模型提供降雨量、气温、辐射等条件,陆地面源模型的模拟结果作为一维河网水动力水质模型的旁侧入流条件。模型对香溪河流域水环境总磷指标确定性系数(R2)>0.78,纳什效率系数(ENS)>0.61,模型模拟精度>90%,模型模拟精度满足香溪河流域水环境总磷监测和预报要求。
图3 香溪河流域水环境模型体系

Fig.3 Model system of water environment in Xiangxi River basin

1.2.2 水环境磷风险评价技术

香溪河流域水环境磷风险平台采用单一指标评价模型进行水环境磷风险评估,依据水体中总磷浓度和风险阈值,计算水体中总磷指标评价指数。当水体指标浓度小于风险阈值,判断为无风险;当水体指标浓度超过风险阈值,判断为风险发生,并对比模拟结果与监测结果,依据风险阈值和预警等级划分方法进行警情分析,如图4所示。
图4 水环境磷风险评价技术

Fig.4 Technology of assessing phosphorus risk of water environment

评价指数公式为
F i = C i C 0   。
式中:Fi为评价指数(无量纲);Ci为水体中风险源物质指标浓度(mg/L);C0为风险浓度阈值(mg/L)。
水环境磷风险评估预警流程如图5所示。在水环境磷风险发生时,通过分析挖掘总磷模拟数据以及对污染源信息的筛选,结合遥感影像反演、知识学习、水色反演等技术[10],对比模拟结果、监测结果以及遥感反演结果,对风险源发生位置、发生时间及排放强度进行溯源分析。根据平台内置的磷风险应急预案库,提供磷污染相关应急处置参考。
图5 水环境磷风险评估预警流程

Fig.5 Early warning flowchart for phosphorus risk of water environment

1.3 数据集成

数据中心构建了静动结合、时空耦合的数字底座,集成了静态基底数据和动态过程数据,如图6所示。静态基底数据包括空间数据,例如DEM、土地利用、土壤类型、计算单元等,在进行流域数值模型模拟计算时,先从空中-陆面-水体,依据自上而下的顺序将空间单元依据不同区域特性划分为粗化空间单元,而后通过由控制工程-复杂河网湖库-陆地-空中的自下而上的顺序,划分精细空间单元。动态过程数据包括由香溪河流域环境监测部门、气象局、水文局等提供的水文、水质、气象数据,也包括模型中心计算生成的空、地、水多尺度的模拟数据,涵盖了大气过程、地表过程、土壤过程、地下水过程等。
图6 流域多源异构生态环境大数据融合

Fig.6 Multi-source heterogeneous eco-environmental big data integration

1.4 功能集成

如图7所示,平台部署“数据-模型-控制-服务”多中心,集成了数据功能、模型功能、控制功能、服务功能。
图7 平台功能集成

Fig.7 Main functions of the platform

(1)数据功能。数据中心收集来自于香溪河流域水环境监管各部门的实时监测数据并进行规范处理,并将零散的原始基础数据以统一标准的格式进行整合。
(2)模型功能。模型中心从数据中心中获取数据进行气象、陆地、水动力、水质和水生态模型仿真模拟。
(3)控制功能。控制中心可以预设平台启动的时间和定时任务,并通过资源分配和平台状态监控促进不同中心之间的协同合作,确保平台能自动化、智能化实现业务功能。
(4)服务功能。服务中心可以满足平台服务需求,并将水环境水资源监测、预报和预警服务信息并通过互联网设备发布给用户,实现信息响应、可视化反馈、业务运营等多种形式的人机交互需求。服务中心集成了监测监控、水质预报、风险预警、污染防控的服务能力。
监测监控:用于实现水环境监测数据的储存与展示,通过GIS地图、三维地球引擎、统计图和动画视频显示大气数据、水文水质数据、污染源数据等。水质预报:能精细模拟和预测降雨、径流、非点源、流速、水位、水温和污染物浓度。风险预警:可以准确预知风险暴发时间、范围和程度,发布静态和动态数字流域预警地图,显示各监测站点实时预警状态,用户点击任意预警点的坐标还可查看该点位预警评估情况,点击应急预案库可查看对应的应急措施。污染防控:利用扩散动态渲染图和污染物浓度变化曲线图直观展示水环境污染物污染水体的完整过程,识别水质异常点,对污染源进行快速筛选、排查与精准定位。支持污染物排放与水质关系的多维度评价,对包括工业、农业、生活污水等各种来源的污染贡献比例进行分析。

2 平台业务化应用

水环境磷风险预报预警平台实现无需人工干预的自动化运行,如图8所示。
图8 香溪河平台运行流程

Fig.8 Operation process of the platform

用户启动平台后,控制中心会将自动监测、人工监测等来自不同渠道的数据进行数据融合后存入生态环境大数据中心。根据用户的需求和区域特性,由模型中心运行计算,将水量、水质变化结果以过程线的方式反馈给用户,并通过模拟结果进行水环境风险识别。当识别到潜在的污染风险后,平台自动判断是否针对污染物进行预警展示,通过可视化仿真界面展示污染范围、污染程度、污染持续时间等信息,并调取应急处置方案库以提供该污染物的风险防控措施和应急预案。平台运行中产生的所有信息都将通过服务中心及时发布给用户,并上传至数据中心为下一次的平台运行积累数据经验。
依据平台集成的服务功能,用户在系统界面可点击监测监控、水质预报、风险预警、污染防控按钮进行对应功能的操作。以水质预报服务为例,如图9所示,用户进入水质预报服务界面后可选择监测断面点、查看水质预报浓度,点击子功能按钮可进行模式预报、预报评估、预报发布等操作。
图9 系统使用界面展示

Fig.9 Display of system interface

2.1 数据融合

香溪河流域水环境磷风险平台数据来源如表1所示。
表1 香溪河流域水环境磷风险平台数据来源

Table 1 Data sources of the platform

数据库名称 数据类型 空间分辨率 来源
DEM 栅格 30 m×30 m 中国科学院地理
空间数据云
土地利用/覆盖 栅格 30 m×30 m 中国科学院资源环
境科学与数据中心
土壤属性 栅格 1∶4 000 000 地理系统科学
数据共享平台
气象数据 文本数据 — 中国气象科学
数据共享中心
河网水系 SHAPE矢量 — 图新地图高清
卫星地图
“三磷”源信息 SHAPE矢量及
文本数据		 — 宜昌市生态
环境局
点源信息 SHAPE矢量及
文本数据		 日尺度 宜昌市生态
环境局
附加面源信息 SHAPE矢量及
文本数据		 — 宜昌市统计年鉴
水质数据 文本数据 — 宜昌市生态
环境局
水文数据 文本数据 — 长江水利委员会
水文局

2.1.1 静态数据

采用30 m×30 m的DEM,土地利用数据分辨率为100 m,土壤数据比例为1∶400万,划分将香溪河流域陆面单元形成96个子流域,生成水文响应单元共496个;将河道河网概化为5个河段、6个节点以及297个河道断面,如图10所示。
图10 香溪河子流域划分与河网概化

Fig.10 Subbasin division and river network generalization for Xiangxi River

2.1.2 动态数据

平台链接了300余个信息采集站点包括香溪河流域气象站、土地利用库接口、土壤库接口、社会经济统计接口、污水处理厂等排污口监测设备、水文站、水质自动监测站、水质人工站、水生生物站等,可以提供香溪河流域“三磷”源数据、水文数据、水质数据、气象数据等,由数据中心将来源不一、尺度各异的动态数据转换为统一标准格式以满足模型计算的需要。

2.2 常态化水质预报

常态化水质预报功能包含预报查看、模式预报、预报评估、预报发布等子功能。平台每日实时驱动模型对流域陆地面源和水体水动力水质进行模拟,可以按照未来1、2、3 d这3个模式生成水环境模拟预测信息,进行重点监测断面的水质模拟预报与展示,并发布水质预报信息至指定用户。发布的水质预报信息包含重点断面的污染物预测浓度、水质类别以及前日评估结果,并统计上月的整体预报精度。香溪河流域水环境磷风险平台预报结果如图11所示,总磷浓度预报结果和实测对比结果见表2。
图11 常态化水质预报

Fig.11 Water quality forecast on a regular basis

表2 2016年总磷浓度预报结果与实测结果对比

Table 2 Comparison of total phosphorus concentration in 2016 between forecast and observation

预报
模式		 模拟起
始日期		 预报
日期		 总磷浓度/(mg·L-1) 预报
模式		 模拟起
始日期		 预报
日期		 总磷浓度/(mg·L-1)
预报值 预报日实测值 绝对误差 预报值 预报日实测值 绝对误差
未来1 d 1月12日 0.17 0.06 未来1 d 7月3日 0.11 0.01
未来2 d 1月11日 1月13日 0.17 0.11 0.06 未来2 d 7月2日 7月4日 0.18 0.10 0.08
未来3 d 1月10日 0.11 0.00 未来3 d 7月1日 0.22 0.12
未来1 d 1月31日 0.07 -0.06 未来1 d 8月15日 0.14 -0.02
未来2 d 1月30日 2月1日 0.12 0.13 -0.01 未来2 d 8月14日 8月16日 0.10 0.16 -0.06
未来3 d 1月29日 0.11 -0.02 未来3 d 8月13日 0.08 -0.08
未来1 d 3月1日 0.08 -0.01 未来1 d 9月4日 0.13 0.07
未来2 d 2月29日 3月2日 0.08 0.09 -0.01 未来2 d 9月3日 9月5日 0.09 0.06 0.03
未来3 d 2月28日 0.09 0.00 未来3 d 9月2日 0.05 -0.01
未来1 d 4月11日 0.14 -0.05 未来1 d 10月8日 0.08 -0.03
未来2 d 4月10日 4月12日 0.05 0.19 -0.14 未来2 d 10月7日 10月9日 0.02 0.11 -0.09
未来3 d 4月9日 0.03 -0.16 未来3 d 10月6日 0.11 0.00
未来1 d 5月2日 0.26 0.14 未来1 d 10月31日 0.07 -0.07
未来2 d 5月1日 5月3日 0.23 0.12 0.11 未来2 d 10月30日 11月1日 0.05 0.14 -0.10
未来3 d 4月30日 0.06 -0.07 未来3 d 10月29日 0.12 -0.02
未来1 d 6月11日 0.21 0.05 未来1 d 12月4日 0.08 -0.01
未来2 d 6月10日 6月12日 0.22 0.16 0.06 未来2 d 12月3日 12月5日 0.08 0.09 -0.01
未来3 d 6月9日 0.29 0.13 未来3 d 12月2日 0.06 -0.03
2016年8月16日香溪河泗湘溪断面总磷的实际监测浓度为0.16 mg/L,对未来2 d泗湘溪的总磷浓度进行预报,8月17日预报水质类别为Ⅱ至Ⅲ类,总磷浓度值为0.14 mg/L;8月18日预报水质类别为Ⅱ至Ⅲ类,总磷浓度值为0.1 mg/L。

2.3 磷风险自动化预警

磷风险自动化预警通过平台污染防控功能和风险预警功能实现。污染防控功能中包含污染物面源分析、污染物河中浓度等结果,可视化显示污染物在水体中的负荷量大小、浓度等信息,以蓝绿黄红表示,颜色越深,污染物浓度值越大、负荷量越高,可以直观了解流域水环境污染现状。针对香溪河流域存在的磷风险问题,平台主要依据总磷指标的实测值与预测值对水质预警,当实测值与预测值之差大于实测值3倍时,则发出磷风险预警,同时可查看总污染负荷、统计天数和降雨量与污染物的关系曲线走势。香溪河流域水环境磷风险平台2016年磷风险自动预警结果如表3所示。平台对2020年11月19日磷风险进行预警,如图12所示。当日香溪河流域面源总负荷为13.36 kg/d,泗湘溪断面总磷平均浓度为0.77 mg/L属于Ⅴ类水,泗湘溪断面水质规划类别为Ⅲ类,平台判定流域磷污染超标存在磷风险(风险区域如图12(b)中红色地区所示),并将预警信息发布给有关的生态环境部门,平台根据警情和内置的应急预案库给出“在磷污染严重的流域投加铝盐和铁盐对磷元素进行化学沉析”的应急措施。
表3 2016年磷风险预警结果

Table 3 Early warning of phosphorus pollution in 2016

采样日期Ⅲ类 总磷 风险判定
实测水质类别 预测水质类别
2016-01-13 Ⅲ类 Ⅲ类 无风险
2016-02-01 Ⅲ类 Ⅱ—Ⅲ类 无风险
2016-03-02 Ⅱ类 Ⅱ类 无风险
2016-04-12 Ⅲ类 Ⅱ—Ⅲ类 无风险
2016-05-03 Ⅲ类 Ⅱ—Ⅳ类 存在风险
2016-06-12 Ⅲ类 Ⅳ类 存在风险
2016-07-04 Ⅱ类 Ⅲ—Ⅳ类 存在风险
2016-08-16 Ⅲ类 Ⅱ—Ⅲ类 无风险
2016-09-05 Ⅱ类 Ⅱ—Ⅲ类 无风险
2016-10-09 Ⅲ类 Ⅰ—Ⅲ类 无风险
2016-11-01 Ⅲ类 Ⅱ—Ⅲ类 无风险
2016-12-05 Ⅱ类 Ⅱ类 无风险

注:表中预警结果时间与采样时间一致。

图12 磷污染防控分析与风险预警

Fig.12 Control analysis and early warning of phosphorus pollution

3 结论

本文构建了香溪河流域磷风险预报预警平台,包括功能相对独立的数据中心、模型中心、控制中心、服务中心。平台具有气象、水文、生态、环境、社会、经济等多源异构数据的集成融合技术,支持常态化水质预报、风险预警、污染防控等个性化功能服务发布。平台具有按照多个模式生成水环境模拟预测信息的能力,基于水质预报结果与实测数据,通过图、表、视频的形式可视化水环境风险演变过程,分析磷风险与污染源之间的响应关系,并给出可行的管控方案和应急措施。香溪河流域磷风险预报预警平台的业务化应用,实现了“实时化、稳健化、服务化、智能化、业务化”的流域智慧管理目标,为形成长江流域三水“精准模拟、知识驱动、数字赋能”的管理模式提供了有效技术支撑。

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